CN1945216B - 三位一体式微机械谐振梁系统 - Google Patents
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Abstract
三位一体式微机械谐振梁系统，用于微机械器件中的应力或位移测量，利用谐振梁的固有频率计算被测量，由敏感结构和控制电路构成，敏感结构主体为置于恒定磁场中的导电的双端固支谐振梁，谐振梁两端与控制电路相连；控制电路向谐振梁输出间歇式激振信号，检测谐振梁自由振动阶段产生的拾振信号，采用扫描互相关方法解算其振动信息，根据振动信息调节激振信号，并重复此过程以跟踪谐振梁固有频率；激振信号采用线性调频信号，以有效激励未知的固有频率；每次完成检测后，控制电路还利用电磁阻尼效应使谐振梁快速停止，使其工作于间歇振动状态，以降低功耗并提高抗干扰能力。本发明使一个简单谐振梁同时实现谐振器、激励器和检测器三种功能，可有效简化敏感结构。
Description
技术领域
本发明涉及一种由微机械谐振梁结构和电路构成的谐振系统，该谐振系统主要用作谐振式传感器，属于物理参数和惯性参数测量领域。
背景技术
谐振梁是MEMS器件中的基本测量部件之一，将被测物理量q转化为谐振梁的固有频率fn并测量fn即可获得q。为了测量fn，必须让谐振梁处于谐振状态，并检测其谐振频率fr。为维持谐振状态，谐振梁必须具有振动激励(激振)和振动检测(拾振)功能，并与控制电路构成闭环系统。具有激振和拾振功能的谐振梁和控制电路是实现谐振梁式测量原理的两要素。
为避免在谐振梁上另外加工激振器或拾振器，一种较理想的激振和拾振方案为采用磁场中的导电谐振梁，利用交流电磁力实现激振，并利用电磁感应实现拾振。但拾振信号(感应电压)非常微弱，若以一个谐振梁同时进行激振与拾振，则拾振信号必将被激振信号淹没而难以检测。解决途径可参考Thierry Corman等人在论文《“Burst”Technology with Feedback-LoopControl for Capacitive Detection and Electrostatic Excitation of ResonantSilicon Sensors》中提出的间歇式(Burst)原理，但该文只是采用了间歇式激振信号，传感器仍工作于连续振荡状态，因此属于“间歇激励”原理。由于传感器输出信号很微弱，且相位信息对噪声敏感，维持连续振荡实际较困难，相应电路也较复杂。
发明内容
本发明要解决的技术问题：克服现有技术的不足，提供一种电路结构简单、抗干扰能力强、功耗低，可实现间歇闭环控制的三位一体式微机械谐振梁系统。
本发明的技术解决方案：本发明由敏感结构和控制电路构成，敏感结构的主体为置于恒定磁场中的导电的双端固支谐振梁，谐振梁两端与控制电路相连；控制电路向谐振梁输出间歇式激振信号(交流激振电流)，检测谐振梁自由振动阶段产生的拾振信号(交流感应电压)，解算其振动信息以调节激振信号，并重复此过程以跟踪谐振梁的固有频率；激振信号采用线性调频信号，以有效激励未知的固有频率；每次完成检测后，控制电路还利用电磁阻尼效应使谐振梁快速停止，使其工作于间歇振动状态，以降低功耗并提高抗干扰能力。
本发明与现有技术相比的优点：采用间歇振动原理，抗干扰能力强且电路简单；采用线性调频信号实现了给定固有频率范围的有效激励；利用电磁阻尼效应实现了高Q值谐振梁的快速停振；利用互相关运算有效解决了微弱信号检测和快速频率解算。
附图说明
图1为本发明所要实现的间歇振动原理的时序示意图；
图2为本发明的系统的基本框图；
图3为本发明的系统的原理框图；
图4为说明本发明工作原理的时序图；
图5为本发明的放大器的原理框图；
图6为本发明的信号源的原理框图；
图7为本发明的FC和GC皆为模拟信号时控制器的框图；
图8为本发明的FC和GC皆为数字接口时控制器的框图；
图9为本发明的间歇振动控制算法的简化流程图；
图10为互相关函数与参考信号频率关系曲线图。
具体实施方式
如图1所示，本发明使谐振梁真正工作于间歇式振动状态，即“间歇振动”原理。基本时序如图1所示。在激振状态，电路输出激振信号，使谐振梁起振；在拾振状态，关闭激振信号，谐振梁进入自由振动状态，振幅逐渐衰减但仍能保持一段时间，检测电路利用这段时间进行拾振信号的检测和放大；待谐振梁接近停振状态，电路再次输出激振信号，使谐振梁再次起振，如此重复。
如图2、3所示，本发明由敏感结构1和控制电路2构成，敏感结构1的主体为置于恒定磁场中的导电的双端固支谐振梁3，谐振梁3两端与控制电路2相连；控制电路2向谐振梁3输出间歇式激振信号(交流激振电流)，检测谐振梁3自由振动阶段产生的拾振信号(交流感应电压)，解算其振动信息以调节激振信号，并重复此过程以跟踪谐振梁3的固有频率；激振信号采用线性调频信号，以有效激励未知的固有频率；每次完成检测后，控制电路2还利用电磁阻尼效应使谐振梁3快速停止，使其工作于间歇振动状态，以降低功耗并提高抗干扰能力。
如图3所示，控制电路2包括放大器11、控制器12、信号源13和阻尼器14，为实现间歇控制，还具有3个电子开关S1、S2、S3，其中S1由信号SC1控制，S2由信号SC2控制，S3由信号SC3控制。其工作原理如图4的时序图所示。激励阶段，SC1有效，S1导通，信号源13产生的激振信号(交流激振电流ix)流过谐振梁3，使谐振梁3起振；经短暂过渡阶段后进入检测阶段，SC1无效，S1断开，信号源13与谐振梁3断开，谐振梁3保持自由振动状态，并在两端产生拾振信号(交流感应电压vi)，此时SC2有效，S2导通，将vi耦合至放大器11，放大器11对vi进行放大、降噪和稳幅，得到满足A/D技术要求的输出信号vo，并耦合至控制器12的A/D输入端；因谐振梁Q值相当高(一般过万)，自由振动衰减过程很慢，使控制器12有充足的时间完成互相关运算，从噪声背景中检测出微弱的vi并解算出本阶段的振动频率(即固有频率fn)，据此调节下一个激励阶段将要输出的激振信号；完成检测后，SC3有效，S3导通，谐振梁3连通阻尼器14(实际就是一个电阻器)，产生电磁阻尼效应，使其快速停振；然后进入下一个激励阶段……如此重复，以持续跟踪谐振梁3的固有频率，实现连续测量。
电子开关S1、S2、S3选用CMOS模拟开关。设计或选型依据为开关时间(tON、tOFF)、信号串扰(Crosstalk)和隔离度(Off-lsolation)等指标。为实现信号的过零点切换，tON、tOFF应低于80ns；由于谐振梁感应电压非常微弱，300kHz下应有Crosstalk＜-80dB，Off-lsolation＜-60dB.CMOS模拟开关设计为IC设计领域通用技术.也可采用分立芯片，如MAX4653.
放大器11由前级21、降噪级22和稳幅级23组成，如图5所示。显然，前级21的交流输入阻抗ri不仅会降低vi幅度(使其低于感应电动势)，而且会与谐振梁3构成电流回路，产生电磁阻尼效应，加快谐振梁3的振动衰减，这对于信号检测是不利的，故前级21采用同相形式，保证ri＞100kΩ以避免电磁阻尼。
拾振信号vi幅度约为0.1～10μV，频率可达300kHz量级，故前级21应选用低噪声型宽带运算运算放大器。又谐振梁3属于低阻抗信号源，故应选择低噪声电压型(而非低噪声电流型)器件，如LT1028。
降噪级22一般采用带通滤波器(BPF)即可，BPF的通带必须包含固有频率的整个范围，在此前提下应足够窄，以提高噪声抑制能力，可采用椭圆滤波器或切比雪夫滤波器以获得陡峭的过渡带。
由于vi幅度可能在较大范围内变化，稳幅级23采用可变增益放大器(程控放大器PGA或压控放大器VCA)，在GC接口控制下实现自动增益控制(AGC)，压缩vo动态范围使之与A/D输入范围匹配。
信号源13为交流恒流源，即激振信号为电流形式，保证激励相位不受回路阻抗的影响。交流恒流源通常由交流电压源24和交流V/I(电压-电流变换器)25组成，其中交流电压源可采用DDS(直接数字合成)或VCO(压控振荡器)，如图6所示。DDS或VCO输出电压形式的激振信号vx，再由交流V/I将其变换为电流形式的激振信号ix。
信号源13的另一个关键问题为如何使谐振梁3有效起振，这主要取决于激振信号的频谱，激振信号在fn附近的频带内应集中足够的功率，而无关频带内的功率则应足够低，符合这一原则的信号形式为线性调频波。线性调频波在起始频率fs和终止频率ft范围内即[fs，ft]区间内的频谱近似平坦，在[fs，ft]外几乎全为零。只要满足fn∈[fs，ft]，且信号具有一定幅度，就能够使谐振梁3起振。fs和ft由控制器12计算并通过FC接口提供。
综合考虑性能、成本、功耗和体积，控制器12采用低端微控制器(MCU)，如各种8051增强系列(8位)，或MSP430系列(16位，并优先采用片内集成A/D、D/A的型号(有时称作混合信号处理系统)。
若稳幅级23采用VCA，则GC为模拟信号，若交流电压源24采用VCO，则FC亦为模拟信号，此时采用图7方案，MCU通过A/D采集来自放大器的输出信号vo，通过D/A产生频率控制信号FC及增益控制信号GC，通过通用I/O接口(GPIO)产生电子开关S1、S2、S3的控制信号SC1、SC2、SC3。
若FC或GC为数字接口(如SPI、I2C)，则采用图8方案，MCU通过A/D采集来自放大器的输出信号vo，以MCU提供的SPI/I2C接口，或以GPIO模拟SPI/I2C接口，产生FC和GC控制信号，通过GPIO产生电子开关S1、S2、S3的控制信号SC1、SC2、SC3。
若本发明的电路被嵌入更复杂的目标系统，可借用目标系统中的DSP、ARM或FPGA，省去单独的MCU。
对于控制器12的软件部分，关键在于间歇振动控制算法。若将频率而非电路中的瞬时电压视为控制对象，本发明的敏感结构和电路事实上也构成了闭环系统，而且是时域离散化的负反馈系统。其输入为谐振梁3当前固有频率fn(由vo求出)，输出则为标量对(fs，ft)或(fc，fb)，其中fc为中心频率，fb为频带半宽：fs＝fc-fb，ft＝fc+fb.通常频带半宽fb可根据谐振梁3特性取固定值，故间歇振动控制算法为以fc序列为控制变量的离散时间控制系统。图9为间歇振动控制算法的简化流程图：
i.根据谐振梁3实际谐振频率可能的最大变化范围[fmin，fmax]设定中心频率fc初始值及带宽fb，确保所对应的频率范围[fs，ft]包含[fmin，fmax]；(fmin和fmax来自产品出厂前的测试标定环节)；
ii.令SC1＝ON，信号源13与谐振梁3接通；
iii.令信号源13开始输出频率范围[fs，ft]的线性调频信号；
iv.延时直至线性调频信号达到终止频率ft；
v.令SC1＝OFF，信号源13与谐振梁3断开；
vi.令SC2＝ON，谐振梁3与放大器11接通；
vii.略作延时直至放大器稳定(建立过程结束)；
viii.检测放大器输出信号vo，转换为数字量，计算此时的振动频率，即固有频率fn；
ix.令SC2＝OFF，谐振梁3与放大器11断开；
x.令SC3＝ON，谐振梁3与阻尼器14接通，使振荡快速衰减；
xi.延时直至谐振梁3停振，令SC3＝OFF，谐振梁3与阻尼器14断开；
xii.以固有频率fn为新的中心频率fc：fc＝fn，回到第ii步重复。
具体算法设计及参数设定时还必须考虑测量对象特性和系统自身特性(切换周期、敏感结构物理模型、信号检测的延时、MCU运算速度等)。
控制器的另一个关键问题为如何根据vo的解算振动频率fn。vo虽然已经经过放大和降噪，但其中依然可能包含较严重的噪声。本发明采用互相关原理解决噪声背景下微弱信号的检测。由于检测前vo的具体频率未知，故采用扫描互相关方法，即以[fs，ft]范围内的稳态扫频数字信号序列Si＝cos2πfit为参考信号(其中参考信号频率fi＝fs+iΔf，i＝0..N-1，N＝fb/Δf)，分别与经A/D采集并存储在MCU的RAM内的vo信号的数字化序列Vo进行数字互相关运算，得到互相关函数的序列ri＝R(Vo，Si)，i＝0..N-1，以fi为横坐标，以ri为纵坐标，并进行曲线拟合，即可得到互相关函数与参考信号频率关系曲线，
如图10所示，根据相关函数的性质，互相关函数极值，即ri-fi曲线峰值rmax所对应的频率即为振动频率fn。因此，扫描互相关方法不仅可以有效解决噪声背景下的微弱信号检测问题，而且可以直接准确解算信号频率。
上述实施方式中所用到的BPF、PGA、VCA、AGC、DDS、VCO、V/I、离散时间控制系统、互相关原理等在各自领域皆有成熟公开的设计理论或实现技术，如：AGC和离散时间控制系统可采用离散PI D控制和/或模糊控制，PGA、VCA、DDS和VCO均有通用集成芯片，交流V/I可采用Cascode电路和电流镜构成等。
Claims (10)
1.三位一体式微机械谐振梁系统，其特征在于：由敏感结构(1)和控制电路(2)构成，敏感结构(1)的主体为置于恒定磁场中的导电的双端固支谐振梁(3)，谐振梁(3)两端与控制电路(2)相连；控制电路(2)向谐振梁(3)输出间歇式激振信号，检测谐振梁(3)自由振动阶段产生的拾振信号，解算其振动信息以调节激振信号，并重复此过程以跟踪谐振梁(3)的固有频率，每次完成检测后，控制电路(2)还利用电磁阻尼效应使谐振梁(3)快速停止，使其工作于间歇振动状态。
2.根据权利要求1所述的三位一体式微机械谐振梁系统，其特征在于：所述的间歇式激振信号为线性调频信号，以有效激励未知的固有频率。
3.根据权利要求2所述的三位一体式微机械谐振梁系统，其特征在于：所述的线性调频信号以固有频率范围为起止频率，以提高激励效率。
4.根据权利要求1所述的三位一体式微机械谐振梁系统，其特征在于：所述的控制电路(2)包括放大器(11)、控制器(12)、信号源(13)、阻尼器(14)、第一电子开关(S1)、第二电子开关(S2)和第三电子开关(S3)，信号源(13)输出的交流激振电流ix经第一电子开关(S1)耦合至谐振梁(3)信号端，谐振梁(3)的信号端经第三电子开关(S3)耦合至阻尼器(14)，谐振梁(3)的信号端同时经第二电子开关(S2)耦合至放大器(11)的输入端，放大器(11)的输出信号vo耦合至控制器(12)的A/D输入端，控制器(12)输出的增益控制信号GC耦合至放大器(11)的增益控制信号输入端，控制器(12)输出的频率控制信号FC耦合至信号源(13)的频率控制信号输入端，控制器(12)输出的第一输出控制信号(SC1)控制第一电子开关(S1)的通断，控制器(12)输出的第二输出控制信号(SC2)控制第二电子开关(S2)的通断，控制器(12)输出的第三输出控制信号(SC3)控制第三电子开关(S3)的通断。
5.根据权利要求4所述的三位一体式微机械谐振梁系统，其特征在于：激励阶段，第一输出控制信号(SC1)有效，第一电子开关(S1)导通，交流激振电流ix流过谐振梁(3)，使谐振梁(3)起振；检测阶段，第一输出控制信号(SC1)无效，第一电子开关(S1)断开，信号源(13)与谐振梁(3)断开，谐振梁(3)处于自由振动状态，并在两端产生拾振信号，即交流感应电压vi，此时第二输出控制信号(SC2)有效，第二电子开关(S2)导通，将vi耦合至放大器(11)，放大器(11)对vi进行放大、降噪和稳幅，得到满足A/D要求的输出信号vo，并耦合至控制器(12)的A/D输入端；因谐振梁Q值相当高，自由振动衰减过程很慢，使控制器(12)能够采集较长时间的序列，从噪声背景中检测出微弱的被测信号并解算出本阶段的振动频率，即固有频率fn，据此调节下一个激励阶段将要输出的激振信号；完成检测后，第三输出控制信号(SC3)有效，第三电子开关(S3)导通，谐振梁(3)连通阻尼器(14)，产生电磁阻尼效应，使其快速停振；然后进入下一个激励阶段，如此重复，以持续跟踪谐振梁(3)的固有频率，实现连续测量。
6.根据权利要求4所述的三位一体式微机械谐振梁系统，其特征在于：所述的信号源(13)由交流电压源(24)和交流电压-电流变换器(25)组成，采用交流电压源(24)产生线性调频信号，并以交流电压-电流变换器(25)将其变换为电流形式以消除回路阻抗对相位的影响。
7.根据权利要求6所述的三位一体式微机械谐振梁系统，其特征在于：所述的交流电压源(24)采用直接数字合成DDS或压控振荡器VCO。
8.根据权利要求4所述的三位一体式微机械谐振梁系统，其特征在于：所述的放大器(11)为低噪声的放大器，以宽带低噪声交流放大器为前级，以通带略宽于固有频率范围的带通滤波器初步抑制噪声，并具有自动增益控制环节以适应输入电平的动态范围.
9.根据权利要求4所述的三位一体式微机械谐振梁系统，其特征在于：所述的控制器(12)由片内集成A/D和D/A的8位或16位微控制器MCU构成，采用扫描互相关方法有效抑制噪声并检测微弱有用信号，并从放大器(11)的输出信号vo中快速准确解算谐振梁(3)的振动频率。
10.根据权利要求9所述的三位一体式微机械谐振梁系统，其特征在于：所述扫描互相关方法即以稳态扫频数字信号序列为参考信号，与保存在RAM中的放大器(11)的输出信号vo分别进行互相关运算，互相关函数极值所对应的参考信号频率，即为被测信号频率fn。
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